Принципиальные отличия, предопределяющие возможности и свойства выпрямителей с инвертором, относятся в основном к стадии преобразования высокого постоянного напряжения в низкое постоянное напряжение с промежуточным звеном высокой частоты, т. е. к конструкции конвертора. В статье идет речь о компонентах для резонансных источников питания и освещены самые важные вопросы, касающиеся выбора транзистора при их построении.

Как правило, конвертор включает в себя такие части как инвертор, импульсный трансформатор и выпрямитель. Существует множество видов построения силовой части инвертора. Всем известны такие типы инверторов как однотактный с прямым и обратным включением выходного диода, мостовой и полумостовой двухтактные. После появления транзисторов с быстрыми обратными внутренними диодами стало возможным дальнейшее усовершенствование схемотехники инверторов. Резонансные инверторы дали новый виток развития преобразовательной техники. Резонансным инвертором может быть любой из перечисленных типов инверторов. На рис. 1 приведена схема резонансного двухтактного мостового преобразователя с последовательным включением в цепь первичной обмотки трансформатора дросселя и конденсатора. Обмен электрической энергии между этими элементами и вызывает явление резонанса и придает току синусоидальную форму.

Рисунок 1. Схема резонансного источника

В первом такте с момента t1 включены транзисторы VT1 и VT3, в первичной обмотке трансформатора появляется ток. Ток нарастает постепенно благодаря наличию в его цепи инерционного элемента — дросселя L. Этим же током заряжается другой инерционный элемент — конденсатор С c полярностью +/–, показанной на схеме рис. 1. По мере зарядки конденсатора ток снижается и к моменту t2 прекращается. При этом конденсатор заряжается до напряжения Uс, почти вдвое превышающего напряжение первичного источника Uвс. Поэтому в интервале t2–t3 ток в первичной обмотке меняет направление благодаря разрядке конденсатора через обратные диоды транзисторов VT1 и VT3 с рекуперацией части энергии в фильтр входного выпрямительного блока. Во втором такте с момента t3 включаются транзисторы VT2 и VT4, а с момента — t4 обратные диоды транзисторов VT2 и VT4, по окончании цикла процессы повторяются. Работа выходного выпрямительного блока идет с согласованием работы инверторной части. Частотное регулирование режима выполняется воздействием на длительность такта, широтное регулирование — воздействием на ширину импульсов.

Рисунок 2. Временная диаграмма работы резонансного источника

Общая кривая первичного тока имеет характер, близкий к синусоидальному. В этом случае передача энергии трансформатором идет с минимальными потерями. Кроме того, и коммутация тока в транзисторах происходит при отсутствии тока, что снижает динамические потери, нагрев и позволяет увеличить частоту инвертирования от 80 кГц до 200 кГц, а также снизить уровень электромагнитных помех. В этом и заключается основное достоинство резонансных преобразователей. Благодаря большому емкостному сопротивлению конденсатора обеспечивается параметрическое ограничение тока короткого замыкания и естественным образом получается падающая внешняя характеристика. Для работающих в резонансном контуре транзисторов улучшаются условия работы, а в следствие этого улучшаются их технико-экономические показатели.

Если колебательный контур имеет небольшую мощность, то он действует только часть времени, сглаживая ток в начале и в конце периода инвертирования. Работающий в таком режиме инвертор называется квазирезонансным.

В описании принципа работы резонансного инвертора мы упоминали, что после разрядки конденсатора ток начинает протекать в обратном направлении через диоды транзисторов.

Основным требованием к данным диодам является то, что интегральный диод должен полностью восстановиться из проводящего в блокирующее состояние до того, как высокое напряжение вновь будет приложено к транзистору во время цикла его выключения.

Время восстановления встроенного диода в значительной мере влияет на его обратное напряжение, тем самым определяя его потери и надежность. На рис. 3 представлена сравнительная диаграмма восстановления интегрального диода транзисторов из семейства L-серии и WARP2 (International Rectifier), а также транзистора семейства FQxxxN50F (Fairchild) при скорости нарастания тока di/d t = 150A/мА и обратном напряжении 20 В. График показывает, что время обратного восстановления диода у транзистора FDH40N50F отличается на 200 нсек от времени восстановления диодов у транзисторов IRFP32N50L и IRGP35B60PD.

Рисунок 3. Диаграмма сравнения восстановления обратного диода транзисторов при Vrm = 0 В, I = 10 A, di/dt = 150 A/мксек

Графики сравнения времени восстановления интегрированных диодов транзисторов при обратном напряжении на диодах, равном 10 В, приведены на рис. 4. Как можно видеть из графика работы диодов на этом рисунке, уменьшенное значение скорости нарастания тока di/dt должно было уменьшить значение времени восстановления диодов, но оно увеличилось из-за уменьшения обратного напряжения на диоде. Также этот факт объясняет пропорциональная зависимость увеличения времени восстановления диода из-за уменьшения обратного напряжения. Большое значение при выборе транзисторов и сравнении их параметров необходимо уделять сравнению емкости p-n перехода диода транзистора Qrr. Данный параметр определяет скорость восстановления диода и потери при его восстановлении.

Рисунок 4. Диаграмма сравнения восстановления обратного диода транзисторов

Быстрые встроенные диоды в HEXFET MOSFET транзисторах L-семейства исключают необходимость применения дополнительных диодов Шоттки и высоковольтных диодов в резонансных схемах, что снижает количество внешних компонент и освобождает пространство. Транзисторы L-серии предпочтительнее использовать в резонансных схемах. Они имеют сниженное на 70 % время обратного восстановления интегрального диода, которое не превосходит 250 нс. Помимо этого на 70 % снижен заряд обратного восстановления, существенно понижающий уровень потерь на переключение, и в 3 раза повышена устойчивость с dV/dt по отношению к стандартным приборам.

Серия транзисторов WARP2 IGBT International Rectifier является наиболее подходящей для конверторов работающих в квазирезонансном режиме работы, особенно если важна цена реализации. Данная серия транзисторов имеет более низкие потери на проводимость, чем силовые МОП-транзисторы других производителей. Эти транзисторы могут эффективно работать на частотах до 150кГц благодаря малому времени спада тока при выключении, низкой энергии потерь при выключении, низкому заряду включения затвора, гораздо более высоким характеристикам ультрабыстрого диода по сравнению с интегральным диодом МОП-транзистора. Типовое время спада при выключении (fall time) не превышает 11 нс для самого мощного из транзисторов данной серии. Максимальное время обратного восстановления ультрабыстрого диода не превышает 60 нс против 250 нс у лучших МОП-транзисторов типа FredFET (серии FDxxxN50F Fairchild) с быстро восстанавливающимся интегральным диодом, что позволяет принципиально улучшить надежность работы квазирезонансных конверторов. Положительный коэффициент зависимости падения напряжения на открытом транзисторе от температуры при параллельном соединении WARP2 IGBT обеспечивает простоту выравнивания тока в фазах, как и при параллельном соединении силовых МОП-транзисторов. В табл. 1, 2 приведены основные параметры транзисторов L-серии и WARP2 (International Rectifier), а в табл. 3 — транзисторов семейства FQxxxN50F (Fairchild).

Для обеспечения высоких скоростей переключения, в резонансных схемах управления и корректной работы схемы питания драйверов силовых транзисторов, драйверы должны обладать весьма низким импедансом. Для обеспечения этого чрезвычайно важного параметра используются высокочастотные емкости, как правило, хорошие многослойные керамические конденсаторы. Столь же важно правильное взаимное расположение драйвера и шунтирующего конденсатора.

Многие разработчики делают одни и те же ошибки, поэтому необходимо соблюдать некоторые важные правила на этот счет:

• драйвер должен располагаться как можно ближе к силовому ключу, которым он управляет;

• значительная дистанция между ШИМ-контроллером и полевым транзистором может допускаться только при очень тщательной разводке печатной платы;

• хотя в цепи управления и отсутствуют значительные токи, дорожки желательно делать как можно шире — это снизит паразитную индуктивность, обеспечит меньший импеданс цепи управления и улучшит устойчивость к наводкам;

• очень важно раздельно шунтировать все цепи с импульсными токами — силовую часть, питание контроллера и драйвера — своими собственными конденсаторами. Площади этих цепей так же должны быть минимальны. Необходимо помнить, что при включении входной ток силового ключа течет из шунтирующего конденсатора драйвера, а при выключении высокочастотный конденсатор силовой части должен обеспечивать ток заряда внутренней емкости транзистора.

Сегодня компания International Rectifier переводит серийно выпускаемые драйверы транзисторов на драйверы пятого поколения G5, введя в интегральные схемы (ИС) множество расширенных функциональных возможностей. Такие ИС помогают существенно снизить время, риск, а также стоимость новой разработки, в то же время уменьшая период разработки конечного продукта и повышая его надежность.

Данное поколение высоковольтных драйверов со смещением уровня напряжения управления является превосходной защитой от перенапряжения, проявляя при этом высокую эксплуатационную надежность.

Более подробно о продукции компании International Rectifier Вы можете прочитать на сайте www.irf.com.

Приобрести транзисторы L-серии, WARP2 и другие продукты, производимые компанией International Rectifier, или получить более детальную информацию по их применению Вы можете, обратившись в офис к официальному дистрибьютору на территории Украины — ООО «РТЭК»: 03035, г. Киев, ул. Урицкого, 32, оф. 1, тел./факс: (044) 520-04-77, 520-04-78, 520-04-79
www.rtes.ru